JP2000500811A - 変性エポキシシロキサン縮合体、その製造方法および電子技術および電気技術のための低ストレス注型樹脂としてのその利用 - Google Patents

変性エポキシシロキサン縮合体、その製造方法および電子技術および電気技術のための低ストレス注型樹脂としてのその利用

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Abstract

(57)【要約】 本発明は、有機で場合によれば二官能性または多官能性化合物を用いる現場反応により変性されたエポキシシロキサン縮合体に関する。本発明による方法により、簡単でコスト的に有利に、エポキシシラン縮合体、エポキシ樹脂混合物、エポキシ樹脂配合物およびこれらから製造される成形体の性質を変化できる。

Description

【発明の詳細な説明】 変性エポキシシロキサン縮合体、その製造方法および電子技術および電気技術の ための低ストレス注型樹脂としてのその利用 本発明は、有機化合物、有利には二官能性または多官能性化合物を用いる現場 反応による変性されたエポキシシロキサン縮合体に関する。 ドイツ特許(P)第4328465号から、エポキシシロキサンがエポキシ官 能性アルコキシシロキサンとシアノールとの縮合により得られる、エポキシシロ キサン縮合体の製造方法が公知である。このエポキシシロキサン縮合体は、直接 注型樹脂としてまたはエポキシ樹脂と混合して電子用途に使用できる。エポキシ ド含有シロキサンを用いる注型樹脂系は、温度安定性、かつ熱機械的に負荷がか けられる成形材料を製造するためにも好適である。エポキシシロキサン縮合体は 、使用したエポキシアルコキシシランおよび使用したシラノールおよび化学分析 から導かれる一般構造を有する。エポキシシロキサン縮合体を特定の用途分野に さらに適合させるために、樹脂の電子的および立体的挙動および極性を広い範囲 に変化できるように努力する価値がある。縮合体の化学的な変性により、加工お よびその後の操作における技術系な要求に殊に柔軟に 適合できるように目的に合わせた注型樹脂が提供されている。 従って、本発明の課題は、製品の化学機能的な構造を広い範囲で調整できるエ ポキシシロキサン縮合体の変性のための方法ならびに変性エポキシシロキサン縮 合体を提供することである。 本発明の一般的な知見は、アルコキシ−シラノール−縮合体の場合に、反応性 シラノール基のエポキシ官能性シロキサンのアルコキシ基に対する割合が、すべ てのアルコキシ基がシラノールにより消費されない限り広い範囲内に調節が可能 であることである。シラノールとの反応の後にまだ遊離しているこれらのアルコ キシ基は、別の縮合工程においてできるだけ多官能性有機化合物と反応させるこ とができる。種々の有機化合物の組み込みにより、注型樹脂の物理−化学的性質 を目的に合わせて調節できる。場合によれば含まれている有機化合物(変性剤と も呼ばれる)の別の官能基は、エポキシ樹脂架橋の際に、得られたシロキサン注 型樹脂の付加的な結合位置として役立つ。これにより、エポキシシロキサンをエ ポキシ樹脂の網目構造中にさらに強固に組み込むことができる。 本発明の対象は、下記の縮合工程により得られる変性エポキシシロキサン縮合 体である。 a)一般構造1のエポキシアルコキシシロキサンと一般構造2のシラノールとの 縮合 〔式中、 R1は、炭素原子1〜22個を有するアルキル基またはアリール基を表し、 R2は、グリシジルオキシアルキル基、エポキシアルキル基またはエポキシシク ロアルキル基であり、二種の基、 R3は、互いに独立して、OR1またはR2または別のアルキル基またはアリール 基を表し、 R4は、アルキル基またはアリール基を表し、 基 R5は、互いに独立して、OHまたはR4を表し、かつnは、1より大きい整数で ある〕 および b)このようにして得られたアルコキシ基を有するエポキシシロキサン縮合体と 、線状、分枝状または環状、場合によれば芳香族で、炭素原子1〜24個からな る炭素骨格および少なくとも一個の縮合可能な官能基を有する有機化合物の化学 量論的量との縮合。 さらに、本発明の対象は、エポキシシロキサンの変 性のための方法であり、これによると、第一縮合工程において、 a)エポキシシラン1をシラノール2と縮合させ、その際、1および2は上記の 化合物であり、かつシラノール2の反応終了後に別の縮合工程 b)このようにして得られたアルコキシ基を有するエポキシシロキサン縮合体を 現場において、線状、分枝状または環状、場合によれば芳香族で、炭素原子1〜 24個から成る炭素骨格を有する有機化合物と縮合させる。 最後に、本発明により変性されたエポキシシロキサン縮合体の慣用のエポキシ 樹脂との混合のための使用も本発明の別の対象である。その際、エポキシ樹脂と の混合を行う時点は、反応の順序、a)1と2との縮合、次いでb)得られたア ルコキシ基を有するエポキシシロキサン縮合体と有機の、場合によれば二官能性 または多官能性化合物との縮合の間、その前およびその後に任意に選択できる。 本発明の有利な実施態様は、付帯請求項および従属請求項(請求項2項以下) ならびに明細書の記載および実施例に明らかである。 本発明による方法は、簡単なワンポット反応により、大気および圧力に関する 通常の条件において、従って最小の操作コストをもって短時間で実施できる。最 初の生成物として、エポキシアルコキシシラン1とシ ラノール2との縮合体である種々のシロキサンの混合物が得られる。この最初の 縮合反応の際に、エポキシシランのアルコキシ基およびシラノールのOH基から 、相当するアルキルアルコールを分離してSi−O−Si結合が結合される。こ のSi−O−Si結合を有する化合物は、エポキシシロキサン縮合体と呼ばれる 。化学量論に基づいて1の使用できるアルコキシ基のすべては最初の縮合工程で は使用されないので、これは、第二の縮合工程のための反応中心として役立つ。 本発明によると、第二の反応工程は、現場において、1および2からのワンポ ット反応物と、縮合可能で場合によれば2官能性または多官能性であって、線状 、分枝状または環状あるいは場合によれば芳香族で炭素原子1〜24個から成る 炭素骨格および官能基としてヒドロキシル基、エポキシ基、エステル基、ラクト ン基、ラクタム基、ハロゲンおよび/または擬ハロゲン官能性および/または不 飽和C−C−結合ならびにスピロオルトエステル基および/またはビシクロオル トエステル基および/またはスピロカルボナート基を有する有機化合物とを反応 させる。有利には、第一工程に使用されたシラノールが可能な限り完全に消費さ れた場合に、始めてこの第二工程が実施される。このために、第一縮合工程のた めのシラノールは、不足量を使用すると有利となる。 出発化合物として使用されるエポキシアルコキシシ ラン1は、縮合可能なアルコキシ基(OR1およびR3)1〜3個を有する。基R1 は任意であるが、しかし、縮合の際に分離される基の反応性がアルキル基の鎖 長が大きくなるに従って低下するので、有利には炭素原子1〜8個を有するアル キル基である。従って、最も反応性が高い出発化合物は、エポキシメトキシシラ ンである。分離したエチルアルコールの毒性学的無害性により、アルキル基とし てエチルも有利となる。縮合の際に遊離するアルコールまたは低分子量分離生成 物は、有利には反応混合物から除去されるので、短鎖アルキル基は、これから生 成するアルコールまたは分離生成物が比較的低い沸点を有するので、そのために 容易に分離できるので有利である。 容易な入手性のために、モノマー状のエポキシアルコキシシラン1が有利であ るが、しかし、反応は、原理的には適当な長鎖を有する高分子量アルコキシシロ キサンであっても可能である。 OH基をα−位、α−位およびω−位または連鎖中に反応性基として有する適 当な長鎖シラノール2は容易に入手される。SiCを介して結合している別の有 機基R4は、その選択は重要ではなく、任意のアルキル基またはアリール基であ ってもよい。 シラノール2中のシロキサン単位の数を規定する指数nは、1以上のあらゆる 数、有利には1〜100を表すことができる。nが増加すると、不相溶性のため に均一な反応が実施できなくなり、かつ反応速度が、高温であっても著しく低下 するので、有利にはnは1〜12の間に選ばれる。しかし、その他の基に依存し て、鎖長の増加に応じて、縮合生成物のエポキシ樹脂に対して増加する不相溶性 が現れることがあり、これは、樹脂成分としてのこれらのその後の所望の使用が 、これらのエポキシ樹脂とであっても混合が困難となるかまたは不可能とする可 能性がある。 出発化合物1のエポキシ基またはグリシジルオキシアルキル基を有する基R2 は、炭素原子を介してケイ素と結合しており、それ以外は自由に選択できる。適 当なエポキシアルコキシシランの入手可能性に応じて、R2は、グリシジルオキ シアルキル基、エポキシアルキル基、グリシジルオキシアリール基、エポキシア リール基またはエポキシシクロアルキル基であってもよい。適当な反応性化合物 とエピクロロヒドリンとの縮合により得られる適当なグリジジルオキシ化合物は 容易に入手できる。 電子的および立体的に障害があってもよい出発原料の反応性に応じて、縮合の 支援のために縮合触媒が必要となる場合がある。縮合自体に関しては、触媒に対 する制約は存在せず、任意の縮合触媒が適する。しかし、有利なまたは目的とす る製品の反応性樹脂の樹脂成分としての使用を考慮して、触媒は、エポキシ基が 縮合の際にできるだけ維持されるように選択される。 従って、これに関して理想的な触媒は、明らかな塩基性でも明らかな酸性でもな く、理想的には中性で反応する。 第一の縮合に引き続く第二の縮合に対して、場合によれば二官能性または多官 能性の有機化合物を、まだ存在しているアルコキシ官能基に対して化学量論的な 量で加える。短時間後に、形成され、通常は揮発性のアルコキシアルコール、メ トキシ化合物の場合には例えばメタノールの遊離が観察できる。 出発原料のエポキシシロキサン縮合体との縮合は、好適な溶剤、例えば炭化水 素中および/または芳香族炭化水素ならびにエーテルなどの中の溶液として行う ことができる。しかし、希釈のために、混合を予定しているエポキシ樹脂を用い ることもできる。縮合を溶剤を用いないでバルク反応として実施することもでき る。完全に清澄で透明な製品を得るためには、縮合は触媒を用い、バルク反応と して実施される。 縮合は、開放した反応槽内で行うことができ、かつ温度を上昇させて行う。有 利には縮合温度は80〜150℃の間である。その際、有利には揮発性反応生成 物は、例えば不活性気体(例えば窒素)の吹き込みまたは導入により追い出され る。これにより、製品自体ならびにその反応性樹脂との混合物の保存性および安 定性が高くなる。 本方法により得られる変性エポキシシロキサン縮合 体の組成は、第一に反応条件および配合物の化学量論関係に依存する。アルコキ シシラノール縮合に対してシラノール官能基を不足で加えて、第一の縮合工程後 の遊離のアルコキシ官能基が第二の縮合工程のために利用できるように確保する 。その際、不足量は、エポキシシラン1の少なくとも一個のアルコキシ官能基が 縮合工程において消費されるように決定される。 第一工程において形成された縮合生成物は、従来技術から分かっているように 、無色透明の油状物である。有機の、場合によれば二官能性または多官能性化合 物の添加は、ここでは化学量論的に行い、すなわちエポキシシロキサン縮合体に まだ存在しているアルコキシ官能基当たりに、有機化合物の正確に一個の縮合可 能な官能基を用いる。次いでエステル交換を行い、有機化合物がエポキシシロキ サン縮合体に酸素を介して結合され、かつ場合によればさらに別の遊離官能基を 介して結合されるようにする。 過剰の有機化合物は、反応完了の後に高温の間に真空で除去できる。別の官能 基は、樹脂製造の際に最初には反応しない。本発明により変性されたエポキシシ ロキサン縮合体は、これによると別の官能基を有し、「高官能性」と呼ぶことが できる。まだ遊離している官能基は、主として生成物と別の慣用の反応性樹脂と の混合の際に、エポキシ樹脂網目構造中における縮合体の強い化学的固定が架橋 により達成され、かつその 後の成形材料の性質に目的に合せて影響させることに役に立つ。これらの官能基 は、いわばエポキシ樹脂中で変性シロキサン縮合体の「アンカー」として役立ち 、かつ、それに相当する成形材料または成形体の「低ストレス」挙動を改善する ことができる。このようにエポキシ樹脂中に「アンカー固定」されたシロキサン 縮合体を生成するエポキシ樹脂成形材料により、従来のエポキシシロキサン縮合 体を用いるこれまで公知の材料より低い気体発散挙動および低い吸水性を示す。 有利には、縮合体およびエポキシ樹脂から成る本発明による混合物は、適当なエ ポキシ樹脂成形材料またはエポキシ樹脂成形体の形成のために使用される。従っ て、この成形材料には上記の特性を与えることができ、かつ低ストレス性を有す る成形材料が形成できる。混合物および硬化剤から成る配合物の架橋反応は、慣 用のエポキシ樹脂化学の方法により行われる。 基本的に、有利には上記のエポキシシロキサン縮合体は、実際的にあらゆる慣 用の反応性樹脂またはエポキシ樹脂と、ほとんどあらゆる混合比により混合でき る。 すなわち、脂肪族および芳香族グリシジルエーテル、殊にはビスフェノール− Aおよびビスフェノール−Fに基づくもの、相当するグリシジルエステル、脂肪 族および脂環式エポキシド、または任意のその他のもの、例えば不飽和化合物の エポキシ化によりえられる エポキシドを用いて、新規の反応性樹脂混合物を得ることができる。設定された 真空下におけるエポキシシランの加熱により、反応性樹脂混合物の貯蔵安定性を 新規のエポキシシランを用いてさらに向上できる。 有機の、場合によれば二官能性または多官能性化合物の選択により、得られる エポキシ樹脂の構造および化学−物理的挙動が広範囲に調整できる。同様に、硬 化の際の相分離挙動は、有機化合物により、未変化のシロキサン含有量または未 変化のシロキサン成分の場合でも目的に合せて調整できる。これにより、製造系 列の最後に得られる成形材料または成形体の形態、弾性率、熱膨張係数αおよび 機械的緩和性に影響を与えることができる。 形態は、成形材料の機械的挙動を決定し、材料の低ストレス性能に対する決定 的な因子である。形態としては、この場合、硬化の際に形成されるエポキシ樹脂 マトリックスおよびその中に組み込まれ、化学的に固定されたシロキサンに富む 領域から成る微細構造と考える。微細に分散したシロキサン領域の他に、シロキ サンが第二の相として分離し、そのために多相的で濁った成形材料となることも ある。 「エポキシシロキサン縮合体」または「エポキシシロキサン」として、従来公 知で、殊にはドイツ特許(P)第4328465.5号〔米国特許(US−PA )第5492981号に相当〕明細書で公開された従 来技術のエポキシシロキサンが挙げられ、その際、縮合反応の際に、アルキルア ルコールが遊離される。上記の米国特許(US−PA)第5492981号の開 示内容をここに引用し、本明細書の対象とする。 「エステル交換生成物」または「変性エポキシシロキサン縮合体」として、両 方の工程、すなわちエポキシアルコキシシラン(=アルコキシ化合物)とシラノ ールとの第一縮合およびこれに引き続くエポキシシロキサン−縮合体にまだ残っ ているアルコキシ官能基と、自由に選択できる有機の、場合によれば二官能性ま たは多官能性化合物との縮合により得られる生成物が挙げられる。 第二縮合工程b)の縮合を一緒に行う有機化合物として、「縮合可能性」およ び/または「二官能性または多官能性」化合物が使用される。その際、「縮合可 能性」とは、その化合物がアルコキシ基との縮合またはエステル交換のためにヒ ドロキシル基またはハロゲン基を有することを意味する。 「二官能性または多官能性」とは、ここでは、変性エポキシシロキサン縮合体 が形成されるこれらのヒドロキシル官能基またはハロゲン官能基に加えて、有機 化合物が、さらに別の反応性基、例えばヒドロキシル基、エポキシ基、エステル 基、ラクトン基、ラクタム基、ハロゲン基および/または擬ハロゲン官能基およ び/または不飽和C−C結合ならびにスピロオルトエ ステル基および/またはビシクロオルトエステル基および/またはスピロカルボ ナート基を、生成する縮合生成物を更に官能化するために有することを意味する 。 「縮合」として、ここでは、「アルコキシ」に基づくアルコキシ基から、アル コールまたはその他の低分子量分離生成物、例えばR−X〔式中、X=ハロゲン 、かつR=アルコキシ基のアルキル基〕を遊離できるあらゆる反応を意味する。 慣用のエポキシ樹脂配合物(エポキシ樹脂、硬化剤、促進剤、種々の添加物お よびエポキシシロキサン縮合体から成る)中に、本明細書に記載の変性シロキサ ン縮合体は、付加的に導入された官能性を介して化学的にエポキシ樹脂網目構造 中に組み込まれる。これにより、シロキサンは、さらに強固に熱硬化性樹脂系中 に固定され、かつ成形材料の加水分解性、吸水性、熱的性質および気体発散性が 改善される。付加的に導入された有機中間成分を通じて、機械的性質(弾性率、 ガラス転移温度)は、低温ストレス問題に関して有利に技術的要求に適合できる 。 得られるエポキシシロキサン成形材料は、高い結合強さを利用して、基体、例 えばV2鋼上に被覆できる。 以下には、本発明を実施例を用いてさらに詳細に説明する。 アルコキシ−シラノール−縮合において、明確にするために、A−187〔3 −グリシジルオキシプロピルトリメトキシシラン、ヒュルス(Huels)〕とジフ ェニルシランジオール(ABCR社)とのモデル反応は、アルコキシ基とシラノ ール基に関してモル比1:1で実施した。ジオール化合物として、1,4−ブタ ンジオール〔メルク(Merck)〕、1,6−ヘキサンジオール(メルク)、1, 4−ビス(ジメタノール)−シクロヘキサン(メルク)、TCD−アルコールD M〔オクタヒドロ−4,7−メタノ−1H−インデン−1(2),5(6)−ジ メタノール(ヘキスト(Hoechst)〕およびビス(4−ヒドロキシフェニル)ス ルホン(メルク)を入手したままで使用した。 1:1注型樹脂への縮合体の引き続く加工は、脂環式のCY179〔3,4− エポキシ−シクロヘキシルメチル−3’,4’−エポキシ−シクロ−ヘキサンカ ルボキシラート、チバ−ガイギー(Ciba-Geigy)〕を用いて行った。 実施例 シラン縮合および重質で揮発性のジオール誘導体との縮合 A−187 23.6g(0.1モル)およびIPT(テトラ−オルト−イソ プロピルチタナート、ヒュルス)0.1gを10分間以内に少しずつジフェニル シランジオール21.6g(0.1モル)と一緒に1 20℃において混合させた。MeOHを発生しながら反応溶液が形成され、その 中に、1時間後にジオール(表1参照)を加え、かつさらに2時間、120℃に 維持した。揮発性部分は約50〜60℃および0.5トル(Torr)において、30 分間以内に除去された。1,4−ブタンジオールの場合には、淡黄色で中程度の 粘度の油状物47.2g(理論値44.7g)が得られた。この透明な縮合体は 、アセトン、塩化メチレンおよびトルエン中に容易に溶ける。ジフェンシルシラ ンジオールから環化により形成される環状PhD3/PhD4ホモ生成物は、DC試 験によりいかなる縮合体中にも検出されなかった。 CY179を用いる引き続く加工 シロキサン縮合体を120℃において均質な1:1注型樹脂に加工した。その ために、樹脂を10分間、0.5トルにおいて脱ガスし、30分間、120℃に おいて熱処理した(表2)。成形材料の製造 1:1−注型樹脂30.0gを約50℃において、溶融HT907(無水ヘキ サヒドロフタル酸、チバ−ガイギー)0.95反応当量および2,4−EMT( 2−エチル−4−メチルイミダゾール、BASF)0.3gと一緒に30分間、 0.5トルにおいて脱ガス し、熱的に架橋させた:1時間80℃、1時間120℃および2時間160℃。 本発明による合成概念である引き続くエステル交換を有する縮合は、広い開発 可能性を提供する。市販のエポキシ注型樹脂との混合により、得られた成形材料 の物理−化学的性質、形態およびストレス挙動を広範囲に変化できる。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.下記の縮合工程 a)一般構造1のエポキシアルコキシシロキサンと、 一般構造2のシラノール との縮合 〔式中、 R1は、炭素原子1〜22個を有するアルキル基またはアリール基を表し、 R2は、グリシジルオキシアルキル基、エポキシアルキル基またはエポキシシ クロアルキル基であり、二種の基、 R3は、互いに独立して、OR1またはR2または別のアルキル基ならびにアリ ール基を表し、 R4は、アルキル基またはアリール基を表し、 基 R5は、互いに独立して、OHまたはR4を表し、かつ nは、1より大きい整数である〕 および b)このようにして得られたアルコキシ基を有するエポキシシロキサン縮合体 と、線状、分枝状または環状、場合によれば芳香族で、炭素原子1〜24個から なる炭素骨格および少なくとも一個の縮合可能な官能基を有する有機化合物の化 学量論的量との縮合 により得られる変性エポキシシロキサン縮合体。 2.縮合工程b)において、使用される有機化合物が、少なくとも一個の縮合可 能な官能基の他に、付加的にさらに別の反応性基を有する、請求項1記載の変性 エポキシシロキサン縮合体。 3.付加的な反応性基が、任意で互いに独立して、ヒドロキシル基、エポキシ基 、エステル基、ラクトン基、ラクタム基、ハロゲン基および/または擬ハロゲン 官能基の系列および/または不飽和C−C結合の基および/またはスピロオルト エステル基および/またはビシクロオルトエステル基および/またはスピロカル ボナート基の群から選択されている、請求項2記載の変性エポキシシロキサン縮 合体。 4.第一の工程において a)エポキシシラン1をシラノール2と縮合させ、その際、1および2は請求 項1記載の化合物であり、かつシラノール2の反応終了の後に別の縮合工程にお いて b)このようにして得られたアルコキシ基を有する エポキシシロキサン縮合体を現場において、線状、分枝状または環状、場合によ れば芳香族で、炭素原子1〜24個から成る炭素骨格および少なくとも一個の縮 合可能な官能基を有する有機化合物と反応させることを特徴とするエポキシシロ キサンの変性のための方法。 5.工程b)において使用される有機化合物が、少なくとも一個の縮合可能な官 能基の他に付加的にさらに別の反応性基を有する、請求項4記載の方法。 6.付加的な反応性基が、任意で互いに独立して、ヒドロキシル基、エポキシ基 、エステル基、ラクトン基、ラクタム基、ハロゲン基および/または擬ハロゲン 官能基の系列および/または不飽和C−C結合の基および/またはスピロオルト エステル基および/またはビシクロオルトエステル基および/またはスピロカル ボナート基の群から選択されている、請求項5記載の方法。 7.縮合が、縮合触媒の存在下で、有利にはpH5〜8において実施される、請 求項4から6のいずれかに記載の方法。 8.縮合が、バルク反応として実施される、請求項4から7のいずれかに記載の 方法。 9.縮合が温度80℃〜150℃において実施される、請求項4から8のいずれ かに記載の方法。 10.エポキシアルコキシシラン1の縮合が、化学量 論的に不足量のシラノール2と一緒にして実施される、請求項4から9のいずれ かに記載の方法。 11.揮発性成分が縮合の間に不活性気体流の中に放出される、請求項4から1 0のいずれかに記載の方法。 12.縮合生成物が、2〜24時間、有利には6〜8時間の種々の反応時間の後 に分離される、請求項4から11のいずれかに記載の方法。 13.縮合により得られる反応生成物に、縮合の終了時において、貯蔵安定性を 高くするために真空中の熱処理を行う、請求項4から12のいずれかに記載の方 法。 14.エポキシ樹脂を第一縮合工程a)の前または後または第二縮合工程b)の 後において加えることができる、慣用のエポキシ樹脂との混合のための樹脂成分 としての請求項1から3のいずれかに記載の変性エポキシシロキサン縮合体の使 用。 15.成形体または成形材料の形成のための配合物を製造するための請求項14 記載の混合物の使用。
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